《生物技术概论(共4页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物技术概论(共4页).doc（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上第一章 绪论一、生物技术的含义1、生物技术的定义生物技术(biotechnology)，也称生物工程(bioengineering)，是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的的新兴的、综合性的学科。2、生物技术的研究领域及其相互关系基因工程(gene engineering)：20世纪70年代以后兴起的一门新技术，其主要原理是应用人工方法把生物的遗传物质，通常是脱氧核糖核酸(DNA)分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组了的DNA导人某种宿主细
2、胞或个体，从而改变它们的遗传品性；有时还使新的遗传信息(基因)在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物(多肽或蛋白质)。细胞工程(cell engineenng)：指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖；或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种；或加速繁育动、植物个体；或获得某种有用的物质的过程。发酵工程(fermentation engineering)：利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程，也称微生物工程。酶工程(enzy
3、me engineenng)：利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。蛋白质工程(protein engineenng):指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质的技术。3、生物技术涉及的学科 现代生物技术是所有自然科学领域中涵盖范围最广的学科之一。支撑：它以分子生物学、免疫生物学、生物化学、生物
4、物理学、遗传学、细胞生物学、微生物学、微生物生理学、动物生理学、植物生理学、人体生理学等几乎所有生物科学的次级学科为支撑；又结合了诸如化学、化学工程学、数学、微电子技术、计算机科学、信息学等生物学领域之外的尖端基础学科，从而形成一门多学科互相渗透的综合性学科；其中又以生命科学领域的重大理论和技术的突破为基础。例如，没有Watson和Crick的DNA双螺旋结构及阐明DNA的半保留复制模式，没有遗传密码的破译以及DNA与蛋白质的关系等理论上的突破，没有发现DNA限制性内切酶、DNA连接酶等工具酶，就不可能有基因工程高技术的出现；没有动植物细胞培养方法以及细胞融合方法的建立，就不可能有细胞工程的出
5、现；没有蛋白质结晶技术及蛋白质三维结构的深入研究以及化工技术的进步，就不可能有酶工程和蛋白质工程的产生；没有生物反应器及传感器以及自动化控制技术的应用，就不可能有现代发酵工程的出现。另外，所有生物技术领域还使用了大量的现代化高精尖仪器，如超速离心机、电子显微镜、高效液相色谱仪、DNA合成仪、DNA序列分析仪等，这些仪器全部都是由微机控制的、全自动化的。二、生物技术发展简史生物技术可分为传统生物技术和现代生物技术。现代生物技术是从传统生物技术发展而来的。1、传统生物技术的产生传统生物技术应该说从史前时代起就一直为人们所开发和利用，以造福人类。在石器时代后期，我国人民就会利用谷物造酒，这是最早的发
6、酵技术。在公元前221年，周代后期，我国人民就能制作豆腐、酱和醋，并一直沿用至今。公元10世纪，我国就有了预防天花的活疫苗；到了明代，就已经广泛地种植痘苗以预防天花。16世纪，我国的医生已经知道被疯狗咬伤可传播狂犬病。在西方，苏美尔人和巴比伦人在公元前6000年就已开始啤酒发酵。埃及人则在公元前4000年就开始制作面包。 1676年荷兰人列文虎克Leeuwen Hoek(16321723)制成了能放大170300倍的显微镜并首先观察到了微生物。19世纪60年代法国科学家巴斯德Pasteur(18221895)首先证实发酵是由微生物引起的，并首先建立了微生物的纯种培养技术，从而为发酵技术的发展提
7、供了理论基础，使发酵技术纳入了科学的轨道。巴氏灭菌法(pasteurization)，亦称低温消毒法，冷杀菌法，是一种利用较低的温度既可杀死病菌又能保持物品中营养物质风味不变的消毒法。将牛奶加热到62-65，保持30分钟将牛奶加热到75-90，保温15-16秒德国人柯赫（1843-1910）：细菌学的奠基人。贡献：（1）微生物学基本操作技术方面的贡献（2）对病原细菌的研究作出了突出的贡献a）细菌纯培养方法的建立(纯种分离技术)， 土豆切面 营养明胶营养琼脂（平皿）b）设计了各种培养基，实现了在实验室内对各种微生物的（培养悬浮培养法）， c）流动蒸汽灭菌， d）染色观察（细胞染色技术）和显微摄影
8、。 （2）对病原细菌的研究作出了突出的贡献 a）具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌； b）发现了肺结核病的病原菌；（1905年获诺贝尔奖）c）证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则著名的柯赫原则。20世纪20年代，工业生产中开始采用大规模的纯种培养技术发酵化工原料丙酮、丁醇。20世纪50年代，在青霉素大规模发酵生产的带动下，发酵工业和酶制剂工业大量涌现。发酵技术和酶技术被广泛应用于医药、食品、化工、制革和农产品加工等部门。20世纪60年代沃森和克里克遗传学取得了辉煌的成就，被誉为“第一次绿色革命”。细胞学的理论被应用于生产而产生了细胞工程。在今天看来，上述诸方面的发展，还只能被视为传统的
9、生物技术，因为它们还不具备高技术的诸要素。2、现代生物技术的发展现代生物技术是以20世纪70年代DNA重组技术的建立为标志的。1972年Berg首先实现了DNA体外重组技术，标志着生物技术的核心技术基因工程技术的开始。它向人们提供了一种全新的技术手段，使人们可以按照意愿在试管内切割DNA、分离基因并经重组后导入其他生物或细胞，借以改造农作物或畜牧品种；也可以导入细菌这种简单的生物体，由细菌生产大量有用的蛋白质，或作为药物，或作为疫苗；也可以直接导入人体内进行基因治疗。显然，这是一项技术上的革命。以基因工程为核心，带动了现代发酵工程、现代酶工程、现代细胞工程以及蛋白质工程的发展，形成了具有划时代
10、意义和战略价值的现代生物技术。1972年斯坦福大学医学中心生化系Paul Berg等首次将-噬菌体基因和大肠杆菌乳糖操纵子插入S40 DNA中实现了DNA体外重组。三、生物技术的应用领域生物技术的发展同其他重大的科学发现和技术创新一样，将越来越深刻地影响着世界经济、军事和社会发展的进程。生物技术的服务领域将覆盖当前人类所面临的所有重大问题，如人类健康、农业、资源、能源及环境。1、人类健康-提高生命质量、延长人类寿命医药生物技术是生物技术领域中最活跃、产业发展最迅速、效益最显著的领域。这是因为生物技术为探索妨碍人类健康的因素和提高生命质量提供了最有效的手段。生物技术在医药领域的应用涉及到新药开发
11、、新诊断技术、预防措施及新的治疗技术。其投资比例(图1-3)及产品市场(表1-3)均占生物技术领域的首位。（1）开发制造奇特而又贵重的新型药品抗生素是人们最为熟悉、应用最为广泛的生物技术药物。目前已分离到6000多种不同的抗生素，其中约100种被广泛地使用。每年的市场销售额约100亿美元。1977年，美国首先采用大肠杆菌生产了人类第一个基因工程药物人生长激素释放抑制激素，开辟了药物生产的新纪元。该激素可抑制生长激素、胰岛素和胰高血糖素的分泌，用来治疗肢端肥大症和急性胰腺炎。利用细胞培养技术或转基因动物来生产这些蛋白质药物是近几年发展起来的另一种生产技术，如利用转基因羊生产人凝血因子、转基因牛生
12、产人促红细胞生成素、转基因猪生产人体球蛋白等。用基因工程生产的药物，除了人生长激素释放抑制激素外，还有人胰岛素、人生长激素、人心钠素、人干扰素、肿瘤坏死因子、集落刺激因子等。2005年中国生物药品市场规模达到300亿元。清楚地表明，基因工程药物的产业前景十分光明，21世纪整个医药工业将进行更新换代。（2）疾病的预防和诊断基因工程生产重组疫苗可以达到安全、高效。已经上市的病毒性肝炎疫苗，正在研究的艾滋病疫苗等。用基因工程技术还可生产诊断用的DNA试剂，称为DNA探针，主要用来诊断遗传性疾病和传染性疾病。基因芯片是生物芯片的一种，是近年来发展起来的一种高通量、高特异性的DNA-诊断新技术。（3）基
13、因治疗导入正常的基因来治疗由于基因缺陷而引起的疾病一直是人们长期以来追求的目标。但由于其技术难度很大，困难重重。到1990年9月，美国FDA批准了用ada(腺苷脱氨酶基因)基因治疗严重联合型免疫缺陷病(一种单基因遗传病)，并取得了较满意的结果。这标志着人类疾病基因治疗的开始。目前已有涉及到恶性肿瘤、遗传病、代谢性疾病、传染病等多个治疗方案正在实施中。我国则有包括血友病、地中海贫血、恶性肿瘤等多个基因治疗方案正在实施中。2、农业-改善农业生产、解决食品短缺（1）提高农作物产量及其品质1）培育抗逆的作物优良品系其目的是培育出具有抗寒、抗旱、抗盐、抗病虫害等抗逆特性及品质优良的作物新品系。我国是人口
14、大国，人多地少，粮食问题更是我国经济发展、社会稳定的关键。我国政府对农业生物技术极为重视，投入了大量的人力、物力并取得了举世瞩目的成就，已培育了包括水稻、棉花、小麦、油菜、甘蔗、橡胶等一大批作物新品系。2) 植物种苗的工厂化生产利用细胞工程技术对优良品种进行大量的快速无性繁殖，实现工业化生产。植物的微繁殖技术已广泛地应用于花卉、果树、蔬菜、药用植物和农作物快速繁殖，实现商品化生产。我国已建立了多种植物试管苗的生产线，如葡萄、苹果、香蕉、柑橘、花卉等。3) 提高粮食品质生物技术除了可培育高产、抗逆、抗病虫害的新品系外，还可培育品质好、营养价值高的作物新品系。大米是我们的主要粮食，含有人体自身不能
15、合成的8种必需氨基酸，但其蛋白质含量很低。人们正试图将大豆储藏蛋白基因转移到水稻中，培育高蛋白质的水稻新品系。4) 生物固氮，减少化肥使用量化肥的使用不可避免地带来了土地的板结，肥力的下降；化肥的生产将导致环境的污染。科学家们正努力将具有固氮能力的细菌的固氮基因转移到作物根际周围的微生物体内，希望由这些微生物进行生物固氮，减少化肥的使用量。我国已成功地构建了12株水稻粪产碱菌的耐胺工程菌。施用这种细菌可节约化肥五分之一，平均增产5125。5) 生物农药近年来，人们越来越注意农业生产的可持续发展以及人与环境的和谐，生物农药不污染环境、对人和动植物安全，不伤害害虫天敌，所以发展生物农药已成为保障人
16、类健康和农业可持续发展的重要趋势。当前，国际上生物农药占全部农药的市场份额仅25左右，其中仅苏云金杆菌(Bt)杀虫剂就占了90。在我国，Bt杀虫剂只占市场的2，棉铃虫病毒杀虫剂占02，农用抗生素占9。今后10年内，生物农药将取代20以上的化学农药。因此，生物农药发展潜力是巨大的。（2）发展畜牧业生产1) 动物的大量快速无性繁殖1997年2月，英国Roslin研究所在世界著名的权威刊物自然杂志上刊登了用绵羊乳腺细胞培育出一只小羊-“多莉”。这意味着动物体细胞也具有全能性，同样有可能进行动物的大量、快速无性繁殖。2) 培育动物的优良品系1983年美国学者将大鼠的生长激素基因导人小鼠的受精卵里，再把
17、受精卵转移到雌鼠内。生下来的小鼠生长速度比普通小鼠快50，并可遗传给下一代。我国在转基因动物研究方面，先后培育了生长激素转基因猪、抗猪瘟病转基因猪、生长激素转基因鱼(包括红鲤、泥鳅、镜鱼、鲫鱼)等。3、能源和资源-解决能源危机、治理环境污染（1）解决能源危机目前，石油和煤炭是我们生活中的主要能源。然而，地球上的这些化石能源是不可再生的，也终将枯竭，寻找新的替代能源将是人类面临的一个重大课题。生物能源将是最有希望的新能源之一，而其中又以乙醇最有希望成为新的替代能源。微生物可以利用大量的农业废弃物如杂草、木屑、植物的秸秆等纤维素或木质素类物质或其他工业废弃物作为原料产生乙醇。 通过微生物发酵或固定
18、化酶技术，将农业或工业的废弃物变成沼气或氢气，也是一种取之不尽，用之不竭的能源。生物技术还可用来提高石油的开采率。目前石油的一次采油，仅能开采储量的30。二次采油需加压、注水，也只能获得储量的20。深层石油由于吸附在岩石空隙间，难以开采。加入能分解蜡质的微生物后，利用微生物分解蜡质使石油流动性增加而获取石油，称之为三次采油。（2）环境保护现代农业及石油、化工等现代工业的发展，开发了一大批天然或合成的有机化合物，如农药、石油及其化工产品、塑料、染料等工业产品，这些物质连同生产过程中大量排放的工业废水、废气、废物已给我们赖于生存的地球带来了严重的污染。目前已发现有致癌活性的污染物达1100多种，严
19、重威胁着人类的健康。但是小小的微生物有着惊人的降解这些污染物的能力。人们可以利用这些微生物净化有毒的化合物、降解石油污染、清除有毒气体和恶臭物质、综合利用废水和废渣、处理有毒金属等作用，达到净化环境、保护环境、废物利用并获得新产品的目的。4、工业-制造工业原料、生产贵重金属（1）制造工业原料生产食品工业原料。 氨基酸类，目前能够工业化生产的氨基酸有20多种，大部分为发酵技术生产的产品，主要的有谷氨酸(即味精)、赖氨酸、异亮氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、缬氨酸等； 酸味剂，主要有柠檬酸、乳酸、苹果酸、维生素C等；生产化学工业原料。乙醇、丙酮、丁醇等产品制造合成树脂、纤维、塑料等制品的主要原料衣康酸合成化纤、涤伦的主要原料乙烯等。 甜味剂高果糖浆(果糖含量高达70%90%的糖浆，甜度与蔗糖相当)、天冬精（砂糖的24倍）、氯化砂糖（砂糖的600倍）（2）生产贵重金属利用细菌的浸矿技术可浸提的金属包括金、银、铜、铀、锰、钼、锌、钴、镍、钡、铊等10多种贵重金属和稀有金属。复习思考题1、什么是生物技术？它包括哪些基本的研究领域？2、为什么说生物技术是一门综合性的学科，它与其他学科有什么关系?3、简要说明生物技术的发展史。4、生物技术的应用包括哪些领域?专心-专注-专业